光伏电能在城市路灯照明中的应用设计

论文摘要

21世纪以来,随着世界能源危机的加剧,太阳能作为地球上最普遍最清洁的能源,以其取之不尽、用之不竭、无污染等优点,受到人类的重视。在人类生活中,太阳能光伏的应用非常的广泛,其应用的基本形式可分为两大类:独立发电和并网发电。随着光伏技术的发展和世界经济可持续发展的需要,发达国家已经开始有计划地推广城市光伏并网发电,主要是建设户用屋顶光伏发电系统和MW级集中型大型并网发电系统等,同时在城市建设中对城市照明等方面也大力的推广了太阳能光伏的应用。目前,国内太阳能光伏技术在城市亮化照明中的应用业已呈现出快速发展的势头。城市道路、学校、公园、住宅小区等场所的路灯、指示牌、草坪灯等都逐渐采用太阳能光伏照明技术,使城市公共照明更加环保、节能、方便、安全。本课题积极响应国家节能减排、发展低碳型经济的号召,以实际应用为目的,从太阳能电池的光伏特性出发,围绕太阳能光伏发电技术和LED照明技术,设计了满足山西太原市道路照明使用的太阳能LED路灯照明系统。系统由太阳能电池、蓄电池、控制器、LED灯源及其恒流驱动电路等部分组成,通过太阳能硅光电池板将太阳能转换为电能存储到蓄电池中,由蓄电池为整个系统提供电能。本课题分析研究了太阳能电池功率的选取原则以及与蓄电池容量的匹配方法,对太阳能电池功率和蓄电池容量等参数进行了计算,解决了太阳能LED路灯系统由于控制器对蓄电池保护不充分经常使蓄电池处于过放电或者过充电而造成蓄电池寿命短和系统可靠性不高的问题,同时对路灯光源LED的驱动问题也进行了分析研究。因而研究重点集中在:首先,太阳能路灯控制器的硬件优化设计。选用ATmega128单片机作为控制器主控芯片,通过主控芯片来控制蓄电池充放电,设计了基于ATmega128单片机具有自适应功能的太阳能路灯控制器,使蓄电池不会发生过充电和过放电现象,延长了蓄电池的使用寿命,提高了太阳能LED路灯系统的运行可靠性。在蓄电池充电部分设计出了快充和慢充两个不同的阶段,从而能更好的保护蓄电池。同时,对太阳能控制器的软件部分进行程序编写和调试。其次,就负载LED的电气特性、功率选取、组合方式等问题进行分析研究,重点对LED驱动电路硬件进行了优化设计,最终在选用PAM公司PAM2842驱动芯片的基础上,进行LED驱动电路的设计搭建,实现其应用功能。PAM2842选择输入电压24V,驱动由10个3W白光LED串联所组成的路灯光源,通过设计对其进行恒流700mA输入,保证了路灯工作的稳定性,同时还具有过压保护,通过设计将电压限制在37.2V,若某单个LED短路时不至于其他LED电压过高而全部烧坏,保证了路灯的使用安全。在以上的研究基础上完成太阳能LED路灯照明系统的设计。最后,针对太原市万柏林区路灯的铺设和成本比较进行了案例分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 国内外太阳能光伏发展的现状与趋势
• 1.2.1 国外太阳能光伏发展现状
• 1.2.2 国内太阳能光伏发展现状
• 1.3 LED 路灯的优点
• 1.4 课题主要内容
• 1.5 论文章节安排
• 第二章 太阳能光伏电池和铅酸蓄电池的特性及原理
• 2.1 太阳能电池的结构及工作原理
• 2.2 太阳能电池的分类
• 2.2.1 单晶硅太阳能电池
• 2.2.2 多晶硅太阳能电池
• 2.2.3 非晶硅薄膜太阳能电池
• 2.2.4 太阳能电池的发展种类
• 2.3 太阳能电池的电气特性和最大功率点跟踪原理
• 2.3.1 太阳能电池的电气特性
• 2.3.2 太阳能电池的最大功率点跟踪原理
• 2.4 铅酸蓄电池的特性及原理
• 2.5 铅酸蓄电池充放电电气特征
• 2.6 影响铅酸蓄电池工作的因素及发展方向
• 2.6.1 结构因素对铅酸蓄电池容量的影响
• 2.6.2 内在因素对铅酸蓄电池性能的影响
• 2.6.3 外界因素对铅酸蓄电池性能的影响
• 2.6.4 铅酸蓄电池研究发展方向
• 2.7 蓄电池剩余容量（SOC）控制的原理
• 2.7.1 蓄电池剩余容量（SOC）的数学模型
• 第三章 白光LED 光源的研究分析
• 3.1 LED 光源的发光机理
• 3.1.1 LED 发光二极管的发光机理
• 3.2 LED 光源的分类
• 3.2.1 按发光管发光颜色分类
• 3.2.2 按发光管出光面特征分类
• 3.2.3 按发光二极管的结构分类
• 3.2.4 按发光强度和工作电流分类
• 3.3 白光LED 光源的基本原理
• 3.4 LED 光源的基本术语
• 3.5 LED 光源的发展优势及工作受影响因素
• 3.5.1 LED 光源的发展优势
• 3.5.2 影响LED 光源工作的因素
• 第四章 太阳能LED 路灯照明系统的设计方案
• 4.1 太阳能电池组件方阵
• 4.2 蓄电池容量的计算
• 4.3 太阳能控制器
• 4.4 DC/DC 变换器
• 4.5 LED 芯片选取及组合方式
• 第五章 太阳能LED 路灯照明系统的硬件设计
• 5.1 基于ATmega128 单片机的太阳能控制器硬件设计总体方案
• 5.2 基于ATmega128 单片机主控板的硬件设计
• 5.2.1 ATmega128 单片机介绍
• 5.2.2 单片机管脚说明
• 5.2.3 复位电路设计
• 5.3 电源模块
• 5.4 蓄电池与太阳能板电压采集电路设计
• 5.4.1 蓄电池电压采集电路设计
• 5.4.2 太阳能电池电压采集电路设计
• 5.5 蓄电池充电控制电路
• 5.6 蓄电池放电过程控制电路
• 5.6.1 24V 电压输出模块
• 5.6.2 白光LED 驱动模块
• 5.6.3 LED 驱动芯片PAM2842 外围元器件参数计算
• 第六章 太阳能LED 路灯照明系统的软件设计
• 6.1 调试工具 ICC-AVR
• 6.1.1 ImageCraft 的ICCAVR 介绍
• 6.1.2 ICC-AVR 的IDE 环境
• 6.2 总体软件流程图
• 6.2.1 软件总体设计思路
• 6.2.2 整体程序框图
• 6.3 白天处理子程序
• 6.3.1 白天处理子程序设计思路
• 6.3.2 白天处理子程序框图
• 6.3.3 白天处理子程序
• 6.4 夜晚处理子程序
• 6.4.1 夜晚处理子程序设计思路
• 6.4.2 夜晚处理子程序框图
• 6.4.3 夜晚处理子程序
• 第七章 太原市万柏林区路灯的铺设方案和成本比较
• 课题工作总结及前景展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文和科技成果